一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统及方法与流程

1.本发明涉及电力系统自动化技术领域，并且更具体地，涉及一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统及方法。


背景技术：

2.电力系统中的开关类设备包括隔离开关、断路器等设备，这类开关设备在操作或动作时，由于操作过程不可能瞬间完成，造成其开合操作过程中会产生多次电弧的重燃与熄灭现象。尤其是隔离开关开合过程中，伴随着宽频、高幅值的电流及磁场信号产生，所产生信号的频率范围宽(从直流到脉冲)、持续时间短、幅值大，对线路中与其相连的其他电力设备造成了巨大的影响，可能导致设备误动作、输出信号异常、设备重启等，严重时会导致整个系统故障。因此，分析研究开关类设备操作过程的电磁干扰问题，对于提升电力设备的电磁兼容性能十分必要。而要准确的分析开关类设备电磁干扰问题，则需要对其操作过程的宽频电流及磁场信号进行准确的监测。
3.当前电力系统中一般采用电流传感器或电流互感器实现电流的监测，并依据电流与磁场的关系可进一步计算出对应的磁场大小，反之亦然。然而，现有的电流传感器测量频带窄、动态范围小，要测量宽频、高幅值的电流信号，其体积需要很大，造成现场应用不便。尽管有专家学者针对光学电流传感器进行了研究，证实其具有宽动态范围、宽频的测量优势，但是光学传感器本身易受温度等因素的影响，实际应用中稳定性不佳。因此，研究高性能的宽频电流传感方法十分必要。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出了一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统，包括：宽频电流传感器模块和信号采集处理模块；
5.所述宽频电流传感器模块，用于对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量，并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，并将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。
6.可选的，宽频电流传感器模块，包括：磁阻传感器和空心线圈传感器，所述磁阻传感器和空心线圈传感器分别用于测量宽频电流信号。
7.可选的，磁阻传感器为gmr传感器，且至少包括4个。
8.可选的，磁阻传感器对称安装在pcb板上，所述磁阻传感器的输出连接所述pcb板的出线孔。
9.可选的，空心线圈传感器印制在pcb板上，所述空闲线圈传感器的空心线圈在所述pcb板上正面和背面的绕线，通过pcb板的过孔连接，所述空心线圈传感器的输出连接所述pcb板的接线孔。
10.可选的，pcb板的厚度为1.6mm～3mm。
11.可选的，系统，还包括：智能模块，所述智能模块用于对所述数字量信号或模拟量信号，进行预处理，以确定所述宽频电流传感器模块的测量误差，并对所述测量误差进行补偿。
12.可选的，智能模块进行预处理，包括：将空心线圈传感器测量的宽频电流信号与磁阻传感器测量的宽频电流信号，进行对比，确定磁阻传感器是否受一次导体位置的影响，若是，则根据空心线圈传感器测量的宽频电流信号与磁阻传感器测量的宽频电流信号的差异，确定因一次导体位置的变化量所产生的磁阻传感器的测量误差。
13.可选的，信号采集处理模块对宽频电流信号的采样频率，根据奈奎斯特采样定理确定，且所述采样频率大于宽频电流信号最高频率分量的两倍。
14.再一方面，本发明还提出了一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的方法，包括：
15.通过宽频电流传感器模块，对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量；
16.并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块；
17.通过信号采集处理模块将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
19.本发明提供了一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统，包括：宽频电流传感器模块和信号采集处理模块；所述宽频电流传感器模块，用于对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量，并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，并将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。本发明通过宽频电流传感器模块和信号采集处理模块对宽频电流信号的测量和采集，实现宽频电流信号的传感，准确率高，抗干扰能力强。
附图说明
20.图1为本发明系统的结构图；
21.图2为本发明系统的宽频电流传感器模块的结构图；
22.图3为本发明方法的流程图；
23.其中，1为宽频电流传感器模块，2为信号采集处理模块，3为智能模块，4为磁阻传感器，5为空心线圈传感器，6为pcb板，7为接线孔，8为过孔，9为回线，10为出线孔。
具体实施方式
24.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
25.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其
相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
26.实施例1：
27.本发明提出了一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统，如图1所示，包括：宽频电流传感器模块1和信号采集处理模块2；
28.所述宽频电流传感器模块1，用于对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量，并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块2，所述信号采集处理模块2用于将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，并将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。
29.其中，宽频电流传感器模块1，包括：磁阻传感器4和空心线圈传感器5，所述磁阻传感器4和空心线圈传感器5分别用于测量宽频电流信号。
30.其中，磁阻传感器4为gmr传感器，且至少包括4个。
31.其中，磁阻传感器4对称安装在pcb板6上，所述磁阻传感器4的输出连接所述pcb板的出线孔7。
32.其中，空心线圈传感器5印制在pcb板7上，所述空闲线圈传感器5的空心线圈在所述pcb板7上正面和背面的绕线，通过pcb板7的过孔9连接，所述空心线圈传感器5的输出连接所述pcb板的接线孔10。
33.其中，pcb板7的厚度为1.6mm～3mm。
34.其中，系统，还包括：智能模块3，所述智能模块3用于对所述数字量信号或模拟量信号，进行预处理，以确定所述宽频电流传感器模块1的测量误差，并对所述测量误差进行补偿。
35.其中，智能模块3进行预处理，包括：将空心线圈传感器5测量的宽频电流信号与磁阻传感器4测量的宽频电流信号，进行对比，确定磁阻传感器4是否受一次导体位置的影响，若是，则根据空心线圈传感器5测量的宽频电流信号与磁阻传感器4测量的宽频电流信号的差异，确定因一次导体位置的变化量所产生的磁阻传感器4的测量误差。
36.其中，信号采集处理模块2对宽频电流信号的采样频率，根据奈奎斯特采样定理确定，且所述采样频率大于宽频电流信号最高频率分量的两倍。
37.下面结合实施例，对本发明进行进一步的说明：
38.如图1所示，本发明系统，包括：
39.包括宽频电流传感器模块1、信号采集处理模块2、智能模块3三个部分构成。
40.宽频电流传感器模块1用于传感开关类设备开合过程中的宽频电流信号，通过屏蔽电缆传给信号采集处理模块。信号采集处理模块2将宽频电流传感器的输出模拟量信号转换成数字量，通过光纤传给后续的智能模块3。
41.信号采集处理模块2同时具有模拟量输出接口，将传感器的信号进行调理后，通过屏蔽电缆传给其他需要模拟量信号的设备。
42.信号采集处理模块2，用于宽频电流传感器的输出信号采集、处理及信号传输，其采样频率根据奈奎斯特采样定理而定，采样频率必须大于被测信号最高频率分量的两倍，可根据实际需要进行设定。
43.智能模块3用于接收信号采集处理模块的信号，进而对宽频电流传感器的信号进行分析处理，将空心线圈的输出与磁阻传感器的输出进行分析对比，实现磁阻传感器是否
受一次导体位置影响的判断，根据两传感器输出信号之间的差异，分析计算出一次导体位置变化量及其对磁阻传感器测量误差的影响，并进一步对位置影响造成的误差进行补偿，提升整个宽频电流传感器的测量性能。
44.如图2所示，宽频电流传感器模块1包括磁阻传感器4、空心线圈5两种传感器。磁阻传感器4采用gmr传感器构成，具有测量频带宽、灵敏度高的优势，其测量频带从直流可至mhz级以上，但是其不足之处在于对位置敏感，因此现场使用时易受一次导体位置等因素(一次导体偏心、偏角)的影响。空心线圈测量频带宽度不如gmr传感器，且无法测量直流信号，但是其测量频带也很宽，测量频带可从数hz至数百khz。采用印刷电路板技术制作的空心线圈，绕线均匀对称分布，因此不易受一次导体位置等因素的影响。基于此，本发明中将磁阻传感器用于直流至高频电流信号的测量，而空心线圈作为比对传感器，实现磁阻传感器输出信号的校正，从而提升磁阻传感器的抗位置干扰性能。通过将两种传感器的输出信号进行综合分析处理，构成可实现性能自校正的直流-交流-高频信号传感器。
45.磁阻传感器4和空心线圈5分布在同一个pcb板6上。pcb板既作为磁阻传感器4的安装电路板，也作为空心线圈5的绕线骨架。实际制作时，可先通过印刷电路板技术制作出空心线圈及相应的过孔、安装孔、连接线等，然后将磁阻传感器焊接在对应的安装孔上。pcb板的厚度一般为1.6mm～3mm之间，可根据需要调整厚度，其内外半径可根据被测导体的半径及安装空间进行调整。
46.磁阻传感器中的4个gmr(巨磁电阻)传感器对称安装在pcb板上，4个gmr传感器对称分布，有效提升了磁阻传感器抗干扰的能力。磁阻传感器输出接至pcb板上的接线孔7，然后通过屏蔽电缆传给信号采集处理模块2。屏蔽电缆可直接焊接在对应的接线孔上。gmr传感器的输出电压与被测电流的关系为：
47.u
gmr
＝k1i+c148.其中：k1为gmr传感器输出电压对电流的传变系数，c1为常量，u
gmr
为测量电流时gmr传感器的输出电压，i为被测电流。
49.当被测信号为磁场时，gmr传感器的输出电压与磁感应强度之间的关系为：
50.u
gmr2
＝k2b+c251.其中：k2为gmr传感器输出电压对磁感应强度的传变系数，c2为常量，u
gmr2
为测量磁场时gmr传感器的输出电压，b为被测磁场的磁感应强度。
52.空心线圈5直接采用印刷电路板技术印制在pcb板6上，以pcb板6作为绕线的骨架。绕线通过过孔8，均匀绕制在pcb板骨架上。图2中折线的实线表示绕线在pcb板正面，虚线表示绕线在pcb板背面。正面和背面的绕线通过过孔8相连。9为空心线圈的回线，其构成的回路与空心线圈绕线构成的回路方向相反，可有效消除垂直于空心线圈平面方向的磁场分量干扰。空心线圈绕线的匝数一般根据被测电流大小及pcb板的尺寸而定，可以调整。以某pcb板为例，其上面分布的空心线圈内半径50mm，外半径90mm，pcb板厚度为3mm，考虑到过孔中心之间的最小间隔及尺寸，按3mm计算，则一个pcb板上的空心线圈匝数最大可以设计为104匝，匝数也可小于该值。若被测电流较小，则可以采用多层pcb板累加的形式，提高其输出信号大小。空心线圈的输出连接到接线孔10上，然后通过屏蔽电缆连接至后续信号采集处理模块2上。
53.本发明利用印刷电路板技术设计空心线圈及其回线，保证其测量性能不易受一次
导体位置的影响，然后利用该优势，将其作为比对传感器，对磁阻传感器的输出信号进行比对及校正，提升磁阻传感器的抗干扰性能。然后利用磁阻传感器测量频带的可拓展性，实现全测量频带范围的高性能传感与测量。本发明中通过磁阻传感器的对称分布及空心线圈的进一步校正，大大提升了宽频电流传感器的测量性能及抗干扰能力。
54.实施例2：
55.本发明还提出了一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的方法，如图3所示，包括：
56.步骤1、通过宽频电流传感器模块，对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量；
57.步骤2、并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块；
58.步骤3、通过信号采集处理模块将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。
59.本发明的效益如下，包括：
60.1)宽频电流传感模块采用两种传感器，通过两传感器的相互对比，进而分析两传感器输出差异，计算出对应的一次导体位置变化量及其产生的误差并进行补偿，实现其测量性能的自校正，构建了具备性能自校正功能的宽频电流传感器，大大提升了传感器的测量准确度及抗干扰能力。
61.2)磁阻传感器采用性能优异的gmr传感器，其测量频带宽、灵敏度高，可有效测量开关类设备操作过程中的宽频、高幅值电流及磁场信号，实现开关类设备操作过程状态的准确监测，4个gmr传感器对称分布，有效提升了磁阻传感器抗干扰的能力。
62.3)空心线圈直接采用印刷电路板技术印制在pcb板上，而不是采用传统的手工绕线方式，有效保证了每一匝绕线的均匀性，保证了整个线圈绕线的均匀对称分布，提升了空心线圈抗干扰的能力，通过直接在pcb板上印制回线，进一步提升了空心线圈抗垂直分量磁场干扰的能力。
63.4)磁阻传感器与空心线圈共用一个pcb板，有效节省了空间，缩小了传感器体积与重量，还可以根据测量需求进行多层pcb板的串联累加，提高传感器的输出大小，进而实现微弱信号的准确测量。
64.5)本发明测量频带宽，可测量直流至mhz级的电流及磁场信号，测量动态范围从毫安级至千安级电流，且体积小、重量轻，应用广泛。
65.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
66.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
67.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
68.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
69.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
70.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统，其特征在于，所述系统包括：宽频电流传感器模块和信号采集处理模块；所述宽频电流传感器模块，用于对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量，并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，并将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述宽频电流传感器模块，包括：磁阻传感器和空心线圈传感器，所述磁阻传感器和空心线圈传感器分别用于测量宽频电流信号。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述磁阻传感器为gmr传感器，且至少包括4个。4.根据权利要求2所述的宽频电流传感系统，其特征在于，所述磁阻传感器对称安装在pcb板上，所述磁阻传感器的输出连接所述pcb板的出线孔。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述空心线圈传感器印制在pcb板上，所述空闲线圈传感器的空心线圈在所述pcb板上正面和背面的绕线，通过pcb板的过孔连接，所述空心线圈传感器的输出连接所述pcb板的接线孔。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述pcb板的厚度为1.6mm～3mm。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统，还包括：智能模块，所述智能模块用于对所述数字量信号或模拟量信号，进行预处理，以确定所述宽频电流传感器模块的测量误差，并对所述测量误差进行补偿。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述智能模块进行预处理，包括：将空心线圈传感器测量的宽频电流信号与磁阻传感器测量的宽频电流信号，进行对比，确定磁阻传感器是否受一次导体位置的影响，若是，则根据空心线圈传感器测量的宽频电流信号与磁阻传感器测量的宽频电流信号的差异，确定因一次导体位置的变化量所产生的磁阻传感器的测量误差。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集处理模块对宽频电流信号的采样频率，根据奈奎斯特采样定理确定，且所述采样频率大于宽频电流信号最高频率分量的两倍。10.一种使用如权利要求1至9任一系统用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的方法，其特征在于，所述方法，包括：通过宽频电流传感器模块，对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量；并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块；通过信号采集处理模块将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。

技术总结
本发明公开了一种用于开关类电磁骚扰中宽频电流传感的系统及方法，属于电力系统自动化技术领域。本发明系统，包括：宽频电流传感器模块和信号采集处理模块；所述宽频电流传感器模块，用于对开关类设备开合过程中的宽频电流信号进行测量，并通过屏蔽电缆将测量的宽频电流信号传输至所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于将所述宽频电流信号作为模拟量信号，或将所述宽频电流信号转换为数字量信号，并将所述模拟量信号或数字量信号通过屏蔽电缆传输至外部设备。本发明通过宽频电流传感器模块和信号采集处理模块对宽频电流信号的测量和采集，实现宽频电流信号的传感，准确率高，抗干扰能力强。抗干扰能力强。抗干扰能力强。


技术研发人员：童悦 王琦 袁田 刘翔 成林 梁正波 张锦 王昱晴 唐芳
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司武汉分院 国网陕西省电力公司电力科学研究院
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/9/7